KR101254101B1 - 침전형 섬유여재 - Google Patents

Abstract

2종류 이상의 상이한 열가소성 고분자를 함유하는 다공성 부직포 기재, 및 상기 다공성 부직포 기재의 적어도 일면 상에 형성된 고비중 입자층을 포함하는 침전형 섬유여재가 제시된다.

Description

침전형 섬유여재{Precipitated fiber media}

본 발명은 침전형 섬유여재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부유물질 등의 불순물을 여과하는 침전형 여과기에 적용시에 빠른 초기 침전속도를 갖는 침전형 섬유여재에 관한 것이다.

급변하는 사회환경 속에 과학이 고도로 발달함에 따라 환경문제가 큰 문제로 대두되고 있다. 더욱이 최근에 이르러서는 대기, 수질 및 토양오염문제가 큰 사회문제로 떠오르게 되었으며, 특히 수질의 오염은 인간이 먹고 마시는데 직접적인 영향을 주게 됨에 따라 그 문제가 더 크게 부각되고 있다. 따라서, 오염된 하수의 정화처리방법과 일반수의 식음료 사용을 위한 정수처리방법이 다양하게 연구되고 있다.

특히, 도시 하수·공장 폐수 중에는 유기질 및 무기질의 고형물이 현탁상태로 포함되어 있으며, 하천·호소 ·해역 등 자연 수역에 방류되면 물의 탁도를 높이고 외관을 더럽히며, 그 중 생물분해 가능한 유기물질이 용존산소를 감소시키는 등 자연수질을 오염시킨다.

이렇게 대용량의 수처리가 필요한 연속수류에 대한 상기 부유물질의 여과공정은 수류의 흐름에 따라 구분하여 횡류 연속 중력식과 하향류 연속중력식 또는 하향류 연속 압력식으로 분류된다.

이때, 하향류식의 중력 여과 방식은 물의 흐름이 상부에서 하부로 통과하게 하며 주로 모래를 하부에 적층하여 여과를 시키며 여재의 수명은 약 5년 내외가 된다. 그러나 이러한 방식은 소요면적이 크고 투자비용이 비싸며 여재의 용량이 많아 교환이 번거로우며 세정을 위해 운전을 중단하고 여과조를 전체 배수해야 하는 등의 애로사항이 있다.

이에 섬유여재를 침전시켜 모래를 대체한 여과시스템이 개발되어 적용되고 있으나 다공성의 확보를 위한 입체 공극구조를 가지게 하기 위해 저융점을 가지는 올레핀계 섬유와 폴리에스테르 섬유를 혼합하여 여재를 제조하고 있다. 그러나 이렇게 제조된 섬유여재는 비중이 1.1 내지 1.4의 범위를 가져 침전이 가능하나 블록형태로 절단되어 적용됨으로 인해 부력 및 초기 흡수력의 미흡으로 인해 여과기내에서 완전한 침전까지는 짧게는 몇시간에서 길게는 2~3일의 시간이 소요되고 있다. 이는 초기 운전 및 역세정 후의 여재 안정화에 일정시간을 소요하게 만듦으로써 여과기의 작동 효율을 떨어뜨리는 상황이다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 큰 흡수 속도를 가져서 침전형 여과기에서 빠른 침전과 안정화가 이루어져서 여과기의 작동 효율을 개선시킬 수 있는 섬유여재를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

2종류 이상의 상이한 열가소성 고분자를 함유하는 다공성 부직포 기재, 및 상기 다공성 부직포 기재의 적어도 일면 상에 형성된 고비중 입자층을 포함하는 침전형 섬유여재가 제공된다.

상기 다공성 부직포 기재는 융점이 상이한 열가소성 고분자로 각각 이루어진 2종류 이상의 원사로 형성되거나, 또는 융점이 상이한 2종류 이상의 열가소성 고분자로 이루어진 복합방사섬유로 형성될 수 있다.

상기 열가소성 고분자는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리 유산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

상기 다공성 부직포 기재의 형상은 원기둥, 사면체, 오면체, 또는 육면체일 수 있다.

상기 고비중 입자층의 함량은 다공성 부직포 기재 100 중량부에 대하여 10 내지 80 중량부일 수 있다.

상기 고비중 입자층은 제올라이트, 활성탄, 감람석, 경탄, 석분, 이산화티탄, 수산화 알루미늄, 탄산칼슘, 황산바륨, 수산화 마그네슘, 및 활석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고비중 입자를 포함할 수 있다.

상기 침전형 섬유여재의 비중은 1.3 내지 3일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 부직포 기재에 고비중 입자층이 도입되어 초기 흡수 속도 향상되어 여과 장치 내에서 빠른 침전과 안정화가 이루어져 즉시 사용이 가능하고, 여과 효율이 증대된 침전형 섬유여재를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 침전형 섬유여재의 종단면도이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 침전형 섬유여재는 2종류 이상의 상이한 열가소성 고분자를 함유하는 다공성 부직포 기재, 및 상기 다공성 부직포 기재의 적어도 일면 상에 형성된 고비중 입자층을 포함한다.

상기 다공성 부직포 기재는 융점이 상이한 열가소성 고분자로 각각 이루어진 2종류 이상의 섬유로 형성되거나, 또는 융점이 상이한 2종류 이상의 열가소성 고분자로 이루어진 복합방사 섬유로 형성될 수 있다.

즉, 다공성 부직포 기재는 저융점의 열가소성 고분자로 이루어진 섬유와 고융점의 열가소성 고분자로 이루어진 섬유를 혼섬하여 형성된 부직포로 얻어질 수 있고, 또는 융점이 상이한 2종류 이상의 열가소성 고분자를 동일한 방사구를 통하여 복합방사하여 얻어진 복합 섬유를 이용하여 형성된 부직포로 얻어질 수 있다. 이때 복합방사의 유형으로는 코어/시스, 사이드 바이 사이드, 편심 구조의 어떠한 형태도 선택가능하다.

상기 복합섬유의 저융점 성분 또는, 혼섬으로 이용하는 저융점 섬유는, 융점이 110℃ 내지 250℃의 사이인 열가소성 고분자로 이루어진다. 이때, 융점이 110℃ 이하이면, 실온에 있어서도 접착력이 저하되고, 또는 점착성이 발현하여 블로킹 등의 문제가 생킬 수 있다. 한편, 융점이 250℃보다 높으면, 높은 접착 가공 온도가 필요해지고, 또한 접착 대상물의 표면 온도가 낮아서 즉시 고화가 시작되고 접착성이 저하되거나, 또는 조업성이 떨어질 수 있다.

이러한 저융점의 열가소성 고분자로는 폴리올레핀계 수지가 이용되고, 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있을 수 있다.

복합 섬유의 고융점 성분, 또는 상기 혼섬으로 이용하는 고융점 섬유는 융점이 180℃ 내지 300℃일 수 있고, 이러한 융점 범위라면, 넓은 온도 범위에서 높은 강성이 얻어질 수 있다.

고융점 성분으로서는, 강성이나 내구성의 관점으로부터 폴리에스테르계 수지로 이루어질 수 있고, 구체적으로는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 또는 폴리 유산 등이 있을 수 있다. 이러한 폴리에스테르(Polyester)계 수지는 융점이 180℃ 내지 300℃의 사이에 있으면 고온시의 치수 안정성이나 기계적 강도 특성이 개선될 수 있다. 고융점 성분의 융점은 저융점 성분의 폴리머의 융점 또는 연화점보다 적어도 20℃이상 높은 온도인 경우, 접착 가공의 조업성이 개선될 수 있다.

상기 다공성 부직포 기재에 이용하는 고융점 성분과 저융점 성분과의 중량비는 예를 들면, 90:10 내지 50:50, 또는 80:20 내지 50:50, 또는 70:30 내지 60:40일 수 있다. 이러한 중량비의 범위를 만족하는 경우, 높은 강성과 접착성을 실현할 수 있다. 더욱 바람직한 것은 80:20 내지 50:50, 70:30 내지 60:40이다.

이러한 2종 이상의 섬유 또는 2종 이상의 성분을 갖는 복합방사 섬유를 이용하여 형성되는 다공성 부직포 기재는 통상의 부직포의 제조 방법을 이용하여 얻어질 수 있다.

구체적으로, 2종 이상의 섬유 또는 2종 이상의 성분을 갖는 복합방사 섬유를 가지고, 건식, 습식, 스펀 본드, 스펀 레이스, 또는 멜트 블로운의 방법으로 웹을 형성하고, 이후 침을 사용하는 니들펀칭 공정, 화학적 물질 또는 접착제의 사용, 또는 열융착 방법 등을 적절히 선택하여 앞서 얻어진 웹을 접착시킴으로써 다공성 부직포 기재가 제조된다.

이때, 니들펀칭 공정을 이용하여 부직포 기재를 제조하는 경우에는, 니들링 후 공극이 많이 막혀 압력손실이 높아지는 문제를 방지하기 위하여, 먼저 약한 니들링으로 섬유를 교락시키고, 최종적으로 열융착을 행함으로 인해 저융점 성분 또는 저융점 섬유가 녹아서 고융점 성분 또는 섬유를 고정시킴으로써 이후 여과기 내에서 섬유 올이 풀리지 않게 교락이 가능하며 공극 막힘에 의한 압력손실도 최소화 할 수 있게 된다.

이렇게 얻어진 다공성 부직포 기재는 단층의 부직포이거나, 2층 이상의 부직포가 적층된 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 침전형 섬유여재는 상기 다공성 부직포 기재의 적어도 일면 상에 형성된 고비중 입자층을 포함한다.

이처럼 섬유여재가 고비중 입자층을 포함함으로 해서, 섬유여재 전체의 비중을 증가시키도록 제어할 수 있으므로, 종래의 섬유여재가 부력의 영향 및 초기 흡수력의 미흡으로 인해 여과기 내에 완전한 침전까지는 상당한 시간이 소요되었던 문제점을 해소할 수 있게 된다.

이와 같은 고비중 입자층은 그 비중이 바람직하게는 1.5 내지 10, 더 바람직하게는 2.0 내지 8.0일 수 있다. 상기 비중이 1.5 보다 작으면, 섬유여재의 비중 조절을 위해, 고비중 입자층의 두께를 높여야 하고, 10을 초과하면, 양호한 품질을 얻기 위해 낮은 온도에서 경화시간을 길게 가져가야 하므로, 시간적으로 경제성이 떨어진다.

상기와 같은 고비중 입자층을 형성하는 소재는 그 비중이 상기와 같은 범위에 속하도록 제어된다면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 고비중 입자층은 고비중 입자를 포함한다.

상기 고비중 입자층에 포함되는 고비중 입자의 예로는 제올라이트, 활성탄, 감람석, 경탄, 석분, 이산화티탄, 수산화 알루미늄, 탄산칼슘, 황산바륨, 수산화 마그네슘, 활석 등에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 상기 고비중 입자층은 이러한 고비중 입자를 부직포 기재의 적어도 일면 상에 견고하게 접착시키기 위하여 베이스 수지를 더 포함한다.

이 때 고비중 입자층을 구성하는 베이스 수지의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 이 분야에 일반적으로 공지되어 있는 베이스 수지를 제한 없이 사용할 수 있고, 이와 같은 베이스 수지의 예로는, 아크릴 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리염화비닐 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리카보네이트 수지, 스티렌-메틸 메타크릴레이트 공중합체 수지 등을 들 수 있다.

또한 이 분야의 평균적 기술자는 상기 고비중 입자의 적절한 함량을 사용되는 베이스 수지의 종류 및 목적 비중에 따라 계산적 또는 경험적으로 용이하게 선택할 수 있다. 다만, 베이스 수지를 이용하여 고비중 입자층을 형성할 경우에, 고비중 입자의 적층에 의해 생기는 공극 구조가 최대한 유지되도록 베이스 수지의 함량을 조절할 필요가 있다. 왜냐하면, 공극 구조가 형성되지 않은 고비중 입자층이 부직포 기재에 도입된다면, 최종적으로 얻어지는 섬유여재의 흡수성이 저하되어 오히려 침전 속도가 떨어지고, 또한 가장 핵심적인 여과 특성도 훼손될 수 있기 때문이다.

따라서, 고비중 입자층에 사용되는 고비중 입자 자체가 제올라이트, 활성탄과 같은 다공성 물질인 경우에는 섬유여재의 흡수성 및 여과성 면에서 보다 유리할 수 있다.

상기 고비중 입자층의 함량은 예를 들면, 다공성 부직포 기재 100 중량부에 대하여 10 내지 80 중량부, 또는 20 내지 75 중량부일 수 있다. 상기 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 얻어지는 섬유여재의 침전 속도가 개선되고, 고비중 입자층이 너무 치밀하게 형성되어, 다공성 부직포 기재의 기공이 막히게 됨으로써 섬유여재의 여과성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.

상기 고비중 입자층을 형성하기 위하여 베이스 수지 및 고비중 입자를 포함하는 코팅 조성물을 다공성 부직포 기재상에 코팅하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 딥(dip) 코팅, 다이(die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다. 또한, 다공성 코팅층은 다공성 기재의 일면 또는 대향하는 양면에 선택적으로 형성할 수 있다.

이후 최종적으로 다공성 부직포 기재는 컷팅 공정을 거쳐서 원기둥, 사면체, 오면체, 육면체, 또는 그 이상의 다면체 등의 다양한 형상을 갖도록 가공될 수 있다.

특히, 상기 다공성 부직포 기재가 육면체 형태를 가지게 되는 경우, 섬유여재로 적용시 여과기 내에 치밀하게 적층되어 여과 효율을 증대시키고, 물을 흡수하는 면적을 최대화하여 침전 속도를 더욱 개선할 수 있다.

상기 컷팅 공정을 거친 다공성 부직포 기재는, 예를 들면 육면체 형상인 경우에, 예를 들면, 가로 및 세로가 3 내지 10mm, 또는 3 내지 5mm이고, 높이가 1.5 내지 6mm, 또는 3 내지 4mm 일 수 있고, 그 외 사면체, 오면체 원통형인 경우에도 높이가 1.5 내지 6mm, 또는 3 내지 4mm이고, 단면의 최대 길이가 3 내지 10mm, 또는 3 내지 5mm일 수 있다

도 1 및 2를 참조하면, 육면체 형상의 다공성 부직포 기재(1)의 일면 또는 서로 대향하는 양면 상에 고비중 입자층(2, 3)이 형성되어 있는 침전형 섬유여재가 도시되어 있다.

또한, 도 3에는 오면체 형상의 다공성 부직포 기재(1)의 일면 상에 고비중 입자층(2, 3)이 형성되어 있는 침전형 섬유여재가, 도 4 및 5에는 원기둥 형상의 다공성 부직포 기재(1)의 상면 또는 서로 대향하는 상면 및 하면 상에 고비중 입자층(2, 3)이 형성되어 있는 침전형 섬유여재가 각각 도시되어 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 침전형 섬유여재는 예를 들면, 1.3 내지 3, 또는 1.5 내지 2.5의 비중을 가질 수 있다. 침전형 섬유여재의 비중이 이러한 범위를 만족하는 경우, 여과기 내의 부력에 영향을 최소화하여, 초기 침전속도가 개선되어 여과기의 작동 효율을 극대화할 수 있다.

도 6 및 7은 본 발명의 일 측면에 따른 침전형 섬유여재의 종단면을 도시하고 있다. 즉, 상기 침전형 섬유여재는 다공성 부직포 기재(11, 21)의 일면 또는 대향하는 양면 상에 고비중 입자층(12, 22, 23)이 형성되어 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

실시예 1

복합방사 성분으로 폴리에틸렌(PE)과 폴리에티렌테레프탈레이트(PET)의 코어 시스 구조의 섬유를 사용하여 웹을 형성후 프리니들링을 통해 3차원 교락을 주고 5m/분의 작업 속도에서 220℃의 열풍을 가하여 부직포를 상호 열접착시켜 다공성 부직포 기재(중량 420g/m²)을 얻었다.

이후, 상기 다공성 부직포 기재부의 일면 상에 활성탄 50 중량부, 베이스 수지로 라텍스 형태의 아크릴 수지 20 중량부, 물 30 중량부를 포함하는 코팅 조성물을 이용하여 콤마 코팅을 하고, 5m/분의 작업 속도에서 200℃의 온도로 건조함으로써 200g/㎡의 중량으로 코팅된 고비중 입자층을 형성하였다. 이때 상기 고비중 입자층의 함량은 다공성 부직포 기재 100 중량부에 대하여 약 47.6 중량부이다.

이후 상기 고비중 입자층이 형성된 다공성 부직포 기재를 가로 3mm, 세로 3mm, 및 두께 3mm의 육면체 형상으로 컷팅 가공하여 섬유여재를 제조하였다.

실시예 2

활성탄을 이용하여 300g/㎡의 중량으로 코팅된 고비중 입자층을 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유여재를 제조하였다. 이때 상기 고비중 입자층의 함량은 다공성 부직포 기재 100 중량부에 대하여 약 71.4 중량부이다.

실시예 3

활성탄 대신에 제올라이트를 사용하고, 150g/㎡의 중량으로 코팅된 고비중 입자층을 형성 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유여재를 제조하였다. 이때 상기 고비중 입자층의 함량은 다공성 부직포 기재 100 중량부에 대하여 약 35.7 중량부이다.

실시예 4

활성탄 대신에 제올라이트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 섬유여재를 제조하였다. 이때 상기 고비중 입자층의 함량은 다공성 부직포 기재 100 중량부에 대하여 약 71.4 중량부이다.

비교예 1

고비중 입자층을 형성하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유여재를 제조하였다.

침전 속도 평가

500ml 비이커에 물을 채운 후에, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 섬유여재를 떨어뜨려 비이커의 바닥에 완전히 가라앉을 때까지의 시간을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	섬유여재의 총중량(g/㎡)	비중	초기침전속도(초)
실시예 1	620	1.80	80
실시예 2	720	2.0	60
실시예 3	570	1.55	90
실시예 4	720	1.80	60
비교예 1	420	1.13	3600

상기 표 1을 참조하면, 고비중 입자층이 도입된 실시예 1 내지 4의 침전형 섬유여재가 비교예 1의 섬유여재에 비해서 현저하게 초기침전속도가 증가한 것을 알 수 있다.

1, 11, 21: 섬유기재,
2, 3, 12, 22, 23: 고비중 입자층

Claims (7)

1. 2종류 이상의 상이한 열가소성 고분자를 함유하는 다공성 부직포 기재, 및 상기 다공성 부직포 기재의 적어도 일면 상에 형성되고, 고비중 입자 및 베이스 수지를 포함하는 고비중 입자층을 포함하고,
   상기 고비중 입자층의 코팅 중량이 150g/㎡ 내지 300g/㎡인 침전형 섬유여재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 부직포 기재가 융점이 상이한 열가소성 고분자로 각각 이루어진 2종류 이상의 섬유로 형성되거나, 또는 융점이 상이한 2종류 이상의 열가소성 고분자로 이루어진 복합방사 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 침전형 섬유여재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열가소성 고분자가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리 유산으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 침전형 섬유여재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 부직포 기재의 형상이 원기둥, 사면체, 오면체, 또는 육면체인 것을 특징으로 하는 침전형 섬유여재.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 고비중 입자층이 제올라이트, 활성탄, 감람석, 경탄, 석분, 이산화티탄, 수산화 알루미늄, 탄산칼슘, 황산바륨, 수산화 마그네슘, 및 활석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고비중 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 침전형 섬유여재.
7. 제1항에 있어서,
   상기 침전형 섬유여재의 비중이 1.3 내지 3인 것을 특징으로 하는 침전형 섬유여재.

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